䅎䅌䥓䥓⁐erf佒m䅓䤠s啂䍁剒䥅删䥎te乓䥔夠m佄啌䅔䥏丠 pa … · 2020. 5....

ANALISIS PERFORMASI SUBCARRIER INTENSITY MODULATION

PADA KANAL MODEL KIM DAN KRUSE DI FREE SPACE OPTIC

ANALYSIS OF SUBCARRIER INTENSITY MODULATION

PERFORMANCE ON KIM AND KRUSE CANAL MODEL IN FREE SPACE

OPTIC

Fatrheza Imantaqwa, Ir. Hambali, M.T.2, Kris Sujatmoko, S.T., M.T.3 1,2,3 Prodi S1 Teknik Telekomunikasi, Fakultas Teknik Elektro, Universitas Telkom [email protected], [email protected],

[email protected]

Abstrak

Free Space Optic (FSO) adalah komunikasi berbasis optik tanpa menggunakan kabel.

Sebelumnya ada sebuah teknologi optik yang menggunakan radio frekuensi (RF) sebagai sinyal

pembawanya, yaitu Radio over Fiber (RoF). Namun RoF memiliki beberapa kekurangan seperti

interferensi elektrik, distorsi, dan noise yang besar. Oleh karena itu dibuatlah teknologi Free Space

Optic (FSO). FSO juga merupakan teknologi untuk jaringan backup. Contohnya bila ada bencana

gempa, lalu kabel optik rusak, maka langsung digantikan dengan FSO yang tidak memakai kabel.

Free Space Optic (FSO) adalah teknologi komunikasi berbasis optik yang propagasi

cahayanya terjadi di alam terbuka. Teknologi ini memanfaatkan system kerja Line Of Sight (LOS),

dan full duplex. Pada umumnya FSO ini menggunakan LASER sebagai light sourcenya. FSO

memiliki beberapa kelebihan seperti kurangnya gangguan, mudahnya maintenance, dan kecepatan

yang tinggi.

Pada penelitian ini, disimulasikan dan dianalisis menggunakan Subcarrier Intensity

Modulation (SIM) pada kanal model Kim dan Kruse, dengan penggunaan empat panjang gelombang

dan variasi visibility. Setelah pengujian dengan SIM, dibandingkan dengan modulasi OOK-NRZ

dan OOK-RZ dengan parameter dan kanal yang sama. BER menggunakan SIM lebih baik daripada

menggunakan modulasi OOK-NRZ dan OOK-RZ, dan pada panjang gelombang 1550 nm dengan

nilai 10−98pada kanal model Kim dan 10−73 pada kanal model Kruse. Kata kunci : FSO, SIM, Kim, Kruse, BER.

Abstract

Free Space Optic (FSO) is optical based communication without using cables. Previously

there was an optical technology that uses radio frequency (RF) as its carrier signal, namely Radio

over Fiber (RoF). But RoF has several disadvantages such as electrical interference, distortion,

and large noise. Therefore Free Space Optic (FSO) technology was created. FSO is also a

technology for backup networks. For example, if there is an earthquake, then the optical cable is

damaged, immediately be replaced with an FSO that does not use cables.

Free Space Optic (FSO) is an optical-based communication technology whose light

propagation takes place in the open. This technology makes use of the Line Of Sight (LOS) and

full duplex work systems. In general, this FSO uses LASER as its light source. The FSO has

several advantages such as lack of interference, easy maintenance, and high speed.

In this study, it was simulated and analyzed using Subcarrier Intensity Modulation (SIM)

on Kim and Kruse's channel models, with the use of four wavelengths and variations in visibility.

After testing with SIM, it compared with OOK-NRZ and OOK-RZ modulation with the same

parameters and channels. BER using SIM is better than using OOK-NRZ and OOK-RZ

modulation, and at wavelengths of 1550 nm with values of 𝟏𝟎−𝟗𝟖on Kim's model channel and 𝟏𝟎−𝟕𝟑 on the Kruse model canal. Keywords: FSO, SIM, Kim, Kruse, BER

1. Pendahuluan

Free Space Optic (FSO) adalah teknologi komunikasi berbasis optik yang propagasi cahayanya

terjadi di alam terbuka. Teknologi ini memanfaatkan system kerja Line Of Sight (LOS), full duplex,

serta pada komunikasi terrestrial FSO menggunakan atmosfer sebagai media transmisinya. Oleh

karena itu, sistem komunikasi ini mempunyai banyak factor yang dapat meredam dan

menginterferensi sinyal cahaya. Banyaknya molekul di udara, jarak dari pengirim dan penerima,

ISSN : 2355-9365 e-Proceeding of Engineering : Vol.6, No.2 Agustus 2019 | Page 3518

serta kondisi di atmosfer menjadi factor yang harus dipertimbangkan. Terdapat 2 faktor lain yang

sangat penting dalam proses pengiriman sinyal cahaya pada FSO yakni cuaca dan turbulensi. Pada

umumnya FSO ini menggunakan light source yaitu Light Amplification of Stimulated Emition by

Radiation (LASER) karena lebih terfokus dan jarak pancaran yang jauh. FSO memiliki beberapa

kelebihan seperti kurangnya gangguan, mudahnya maintenance, dan kecepatan yang tinggi [2].

Pada penelitian ini dilakukan analisis Free Space Optic (FSO) dengan variasi panjang

gelombang yang digunakan antara lain 690 nm,780 nm,850 nm dan 1550 nm. Kemudian dilakukan

pengamatan terhadap berbagai visibility dari pengirim ke penerima yang disertai dengan factor

redaman pada setiap panjang gelombang menggunakan modulasi SIM pada kanal Kim dan Kruse

untuk mengetahui performasi BER dan akan dibandingkan dengan modulasi On Off Keying Null

Return-to-Zero (OOK-NRZ) dan On Off Keying Return-to-Zero (OOK-RZ).

2. Konsep Dasar

2.1 Free Space Optic Free Space Optic (FSO) merupakan komunikasi Line Of Sight (LOS) dimana terjadi di alam

terbuka menggunakan laser sebagai sumber cahayanya untuk mengirimkan data dengan kecepatan

yang tinggi, mencapai 40 Gbps. Komunikasi ini menggunakan frekuensi optik 192 – 350 THz

sehingga memungkinkan menggunakan data rate yang tinggi [2].

2.2 Subcarrier Intensity Modulation Subcarrier Intensity Modulation (SIM) adalah modulasi yang dapat mencapai tingkat bit yang

tinggi dengan beberapa subcarrier. Prosesnya diawali dengan aliran data biner yang dipisahkan

menjadi beberapa sub-aliran. Kemudian sub-aliran tersebut dimodulasi. Modulasi ini telah banyak

digunakan dalam mentransmisikan sinyal pada kabel televisi dan juga digunakan pada multiplexing

panjang gelombang. Dengan M yang diganti-ganti agar bisa mengetahui dan menganalisa sinyal yang dimodulasi.

Persamaannya adalah sebagai berikut.

𝑚𝑖(𝑡) = 𝑔(𝑡)𝑎𝑖𝑐 cos(𝑤𝑐𝑖𝑡 + 𝜙𝑖) + 𝑔(𝑡)𝑎𝑖𝑠 sin(𝑤𝑐𝑖𝑡 + 𝜙𝑖). (1) g(t) adalah fungsi pembentukan pulsa, w_ci adalah frekuensi sudut subcarrier, dan w_ci adalah fasa.

Sedangkan a_ic dan a_isadalah amplitudo sinyal. Setelah itu sinyal di gabungkan menjadi sinyal

baru, m(t), yang memiliki persamaan

𝑚(𝑡) = ∑ 𝑚𝑖𝑁𝑖=1 (𝑡) (2)

Di sisi penerima ada sinyal elektrik, i(t) dimana memiliki persamaan

𝑖(𝑡) = 𝑅𝐼[1 + 𝜉𝑚(𝑡)] + 𝑛(𝑡) (3) Dengan R adalah responsivitas, I adalah daya yang diterima, dan ξ adalah indeks modulasi optik [6].

2.3 Visibility Salah satu parameter yang bisa digunakan untuk mengukur besarnya redaman di atmosfer

adalah visibility. Visibility adalah jarak pandang atau ukuran jarak dimana suatu benda atau cahaya

bisa terlihat dengan jelas.Terdapat dua model kanal yang dapat menghitung besar redaman atmosfer

menggunakan visibility yaitu kanal model Kim dan model Kruse. Persamaan dasar untuk

menghitung besarnya redaman atmosfer adalah sebagai berikut [9]:

𝐴 = 3,91

𝑉 (

𝜆

550)−𝑞

,𝑑𝐵

𝑘𝑚 (4)

Dimana V adalah visibility dalam km, λ adalah panjang gelombang dalam nm, q adalah ukuran

parikel di atmosfer, dan A adalah redaman atmosfer dalam dB/km. Pendekatan model Kruse bisa

digunakan untuk semua kondisi atmosfer. Persamaan untuk kanal model Kruse adalah, [9]:

𝑞 = {

1.6, 𝑉 ≥ 50 𝑘𝑚 1.3, 6 𝑘𝑚 ≤ 𝑉 < 50 𝑘𝑚

0.585𝑉13⁄ , 𝑉 < 6 𝑘𝑚

(5)

Pada model Kim bisa digunakan untuk kondisi berembun atau visibility visibility yang rendah

karena lebih spesifik. Persamaan untuk kanal model kim adalah,[9]:

𝑞 =

{

1.6, 𝑉 ≥ 50 𝑘𝑚 1.3, 6 𝑘𝑚 ≤ 𝑉 < 50 𝑘𝑚

0.16𝑉 + 0.34, 1 𝑘𝑚 ≤ 𝑉6 𝑘𝑚 𝑉 − 0.5, 0.5 𝑘𝑚 ≤ 𝑉 < 1 𝑘𝑚 0, 𝑉 < 0.5 𝑘𝑚.

(6)


Berbagai jenis cuaca ditunjukan oleh Tabel 1, dengan berbagai kondisi digunakan sebagai acuan

visibility yang digunakan pada perhitungan redaman atmosfer akibat jarak pandang antara pengirim

dan penerima.

Tabel 1 Kondisi Atmosfer

Kondisi Atmosfer Visibility (m) Attenuasi (dB/km)

Dense Fog 50 315

Thick Fog 200 75

Moderate Fog 500 28.9

Light Fog 770 18.3

Very Light fFg 1000 13.8

Light mist 2000 6.6

Very Light Mist 4000 3.1

Clear Air 20000 0.54

Very Clear Air 50000 0.19

2.4 Modulasi On-Off Keying Modulasi OOK merupakan modulasi yang umum digunakan dalam sistem komunikasi optik

tanpa kabel dan digunakan dalam sistem Intensity-Modulated with Direct-Detection (IM/DD).

Ketika ada sinyal optik yang menempati sebagian durasi bit menghasilkan nilai bit 1, Sedangkan

ketika tidak ada sinyal optik pada durasi tertentu nilai bit 0.

Pada modulasi OOK bisa menggunakan dua tipe, yaitu Non Return-to-Zero (NRZ) dan Return-

to-Zero (RZ). Pada tipe NRZ memiliki efisiensi yang lebih buruk dari RZ karena mempunyai durasi

pulsa yang lebih besar dari bit. Pada NRZ bit 1 berarti memiliki level daya tinggi sedangkan bit 0

memiliki level daya rendah.

Pada RZ, bit 1 dinyatakan dengan setengah periode pertama dengan level daya tinggi dan

setengah periode kedua dengan level daya rendah. Sedangkan bit 0 memiliki level daya rendah [4].

2.5 Background Noise Background noise disebabkan oleh pendeteksian foton yang dihasilkan pada lingkungan.

Terdapat dua sumber yang berkontribusi kepada background noise, yaitu matahari dan langit. Ada

sumber lain yang dianggap terlalu lemah sehingga dipertimbangkan terhadap FSO karena kurang

berpengaruh, yaitu bintang dan background noise / background radiation yang dipantulkan. Namun

mereka berpengaruh pada backgroumd noise di luar angkasa. Berikut ini adalah persamaan untuk

irradiance (daya per unit area) dari sumber matahari dan langit:

𝐼𝑠𝑘𝑦 =𝑁(𝜆)𝛥𝜆𝜋𝛺2

4 (7)

𝐼𝑠𝑢𝑛 = 𝑊(𝜆)𝛥𝜆 (8) Dimana 𝑁(𝜆) adalah pancaran spektral langit, 𝑊(𝜆) adalah pancaran radiasi spektral matahari, Δλ adalah bandwidth OBPF, dan Ω adalah sudut pandang bidang fotodetektor dalam radian. Pemilihan

nilai FOV dan Δλ yang sangat sempit bermanfaat karena dampak background noise dapat dikurangi

OBPF. Persamaan dari background noise adalah sebagai berikut:

𝜎𝑏𝑔2 = 2𝑞𝐵𝑅(𝐼𝑠𝑘𝑦 + 𝐼𝑠𝑢𝑛) (9)

Dimana 𝜎𝑏𝑔2 adalah background noise, q adalah konstanta elektron, B adalah bandwidth, dan R

adalah responsivitas dari penerima.

3. Perancangan Sistem 3.1 Desain Sistem

Berikut ini merupakan blog diagram sistem:

Gambar 1 Blok Diagram Sistem


3.2 Diagram Alir Metodologi Penelitian

Gambar 2 Flow Chart Sistem

3.3 Parameter Pengujian Permasalahan yang ada dalam penelitian ini adalah agar mengetahui performa dari Subcarrier

Intensity Modulation (SIM) pada kanal model Kim dan model Kruse di Free Space Optic (FSO).

Langkah awal untuk menjalankan peneletian ini adalah dengan menentukan atau memasukkan

parameter-parameter perangkat. Parameter-parameter yang digunakan pada penelitian ini

ditunjukkan oleh Tabel 2.

Tabel 2 Parameter Pengujian

Parameter Nilai

Panjang Gelombang 690 nm, 780 nm, 850 nm, 1550 nm

Visibility 0 km – 2 km, dengan rentang 0.02

Panjang Link 2 km

Daya Kirim LASER (𝑃𝑡) 1 Watt Efisiensi Pengirim (𝜏𝑡) 0.75

Sudut Divergensi Pengirim (Ag) 10−3 Efisiensi Penerima (𝜏𝑟) 0.75 Diameter Penerima (D) 10−5 cm

Responsivitas Photodetector 0.9 (A/W)

Bandwidth (B) 0.5 GHz

Dark Current (𝐼𝐷) 10 nA Hambatan di Penerima (𝑅𝐿) 36 Ohm

Suhu (T) 298 K

Amplitudo sinyal Subcarrier (A) 1

Indeks Modulasi (M) 1

Spektral sinar dari langit (N(𝜆)) 10−3 W/cm2𝜇mSr Spektral pancaran dari matahari(W(𝜆)) 0.055 W/cm2𝜇m

Bandwidth BPF Optik 10−3 FOV (Ψ) 0.6

4. Hasil Simulasi dan Analisis Pengujian sistem ini dilakukan dengan cara merubah parameter-parameter panjang gelombang

dan visibility.


4.1 Analisis SIM pada Kanal Kim Bisa dilihat pada Gambar 4 .1, nilai BER SIM dengan panjang gelombang 690 nm adalah

berkisar 10−52, panjang gelombang 780 nm adalah berkisar 10−59, panjang gelombang 850 nm adalah berkisar 10−63 dan panjang gelombang 1550 nm adalah berkisar 10−98. Nilai BER terendah atau paling baik ada pada panjang gelombang 1550 nm.

Gambar 3 Grafik BER SIM pada Kanal Kim

4.2 Analisis Modulasi OOK-NRZ dan OOK-RZ pada Kanal Kim Bisa dilihat pada Gambar 4, dimana merupakan hasil simulasi untuk modulasi OOK-NRZ pada

kanal model Kim. Nilai BER di visibility terjauh yaitu 2 km pada panjang gelombang 690 nm adalah

berkisar 10−33, panjang gelombang 780 nm adalah berkisar 10−37, panjang gelombang 850 nm adalah berkisar 10−40 dan panjang gelombang 1550 nm adalah berkisar 10−61.

Gambar 4 Grafik BER OOK-NRZ pada Kanal Kim

Setelah menganalis BER OOK-NRZ, modulasi OOK-RZ dianalisis. Bisa dilihat pada Gambar

5, nilai BER pada visibility terjauh di panjang gelombang 690 nm adalah berkisar 10−9, panjang gelombang 780 nm adalah berkisar 10−10, panjang gelombang 850 nm adalah berkisar 10−11, dan panjang gelombang 1550 nm adalah berkisar 10−16.


Gambar 5 Grafik BER OOK-RZ pada Kanal Kim

4.3 Analisis SIM pada Kanal Kruse Bisa dilihat pada Gambar 6, dimana merupakan hasil pengujian untuk nilai BER Subcarrier

Intensity Modulation (SIM) pada kanal Kruse. Nilai BER pada visibility terjauh di panjang

gelombang 690 nm adalah berkisar 10−47, panjang gelombang 780 nm adalah berkisar 10−50, panjang gelombang 850 adalah berkisar 10−54, dan panjang gelombang 1550 nm adalah berkisar 10−73.

. Gambar 6 Grafik BER SIM pada Kanal Kruse

4.4 Analisis Modulasi OOK-NRZ dan OOK-RZ pada Kanal Kruse Bisa dilihat pada Gambar 7, nilai BER modulasi OOK-NRZ di kanal Kruse pada visibility

terjauh di panjang gelombang 690 nm adalah berkisar 10−30, panjang gelombang 780 nm adalah berkisar 10−32, panjang gelombang 850 nm adalah berkisar 10−34, dan panjang gelombang 1550 nm adalah berkisar 10−46.

Gambar 7 Grafik BER OOK-NRZ pada Kanal Kruse


Kemudian ada hasil pengujian dari modulasi OOK-RZ pada kanal Kruse, bisa dilihat pada

Gambar 8. Nilai BER di visibility terjauh pada panjang gelombang 690 nm adalah berkisar 10−8, pada panjang gelombang 780 nm adalah berkisar 10−9, pada panjang gelombang 850 nm adalah berkisar 10−10, dan pada panjang gelombang 1550 nm adalah berkisar 10−13.

Gambar 8 Grafik BER OOK-RZ pada Kanal Kruse

5 Kesimpulan dan Saran

5.1 Kesimpulan Setelah melakukan pengujian pada jaringan Free Space Optic (FSO) dengan membandingkan

tiga modulasi, yaitu SIM, modulasi OOK-NRZ , dan OOK-RZ, dengan implementasi beberapa

panjang gelombang dan variasi visibility maka didapatkan kesimpulan sebagai berikut.

1. Hasil pengujian dengan beberapa panjang gelombang, 690 nm, 780 nm, 850 nm, dan 1550 nm menunjukkan bahwa panjang gelombang 1550 nm merupakan panjang gelombang yang

paling baik dan cocok digunakan pada komunikasi Free Space Optic karena memiliki nilai

BER yang paling baik atau paling rendah.

2. Skema modulasi Subcarrier Intensity Modulation lebih baik dari modulasi On Off Keying - Non Return-to-Zero (OOK-NRZ) dan On Off Keying – Return-to-Zero (OOK-RZ) karena

memiliki nilai BER yang jauh lebih baik.

3. Pengujian di kanal model Kim memiliki nilai BER yang lebih baik daripada kanal model Kruse.

4. Pada kanal model Kim, BER memenuhi standard minimum ketika visibility ada di kisaran 1 km, sedangkan untuk model kanal Kruse ada di kisaran 1.5 km. Bisa disimpulkan bahwa

kanal model Kruse membutuhkan visibility yang besar atau atmosfer yang clear agar

memiliki BER yang baik.

5.2 Saran Tugas akhir ini bisa dikembangkan penelitiannya lebih lanjut. Ada beberapa saran yang bisa

dipertimbangkan, diantaranya adalah

1. Melakukan analisis dan simulasi SIM pada keadaan hujan, fog, dan turbulence. 2. Melakukan analisis dan simulasi pada kanal model Kim dan Kruse dengan modulasi Pulsa

Posisition Modulation (PPM).

3. Melakukan analisis dan simulasi SIM pada Gamma-gamma dan Negative Exponential Atmoshperic Channels.


Daftar Pustaka

[1] R. Karthikeyan and S. Prakasam, "A Survey on Radio over Fiber (RoF) for Wireless

Broadband Access Technologies," International Journal of Computer Application (0975-

8887) Volume 64-No12, p. 6, 2013.

[2] A. A. B. Raj, Free Space Optical Communication: System Design, Modeling,

Characterization and Dealing With Turbulance, Walter de Gruyter GmbH & Co KG, 2016.

[3] Hindawi Publishing Corporation, "Free Space Optics: Current Applications and Future

Challenges," International Journal of Optics, p. 8, 2015.

[4] H. Kaushal and G. Kaddoum, "Free Space Optical Communication: Challenges and

Mitigation Techniques," p. 28, 2016.

[5] J. K. Sahota and D. Dhawan, "REDUCING TEH EFFECT OF SCINTILLATION IN FSO

SYSTEM USING COHERENT BASED HOMODYNE DETECTION," Optik, p. 16, 2018.

[6] W. Popoola, Z. Ghassemlooy and S. Rajbhandari, Optical Wireless Communications, Taylor

& Francis Group, LLC, 2013.

[7] G. Keiser, Optical Fiber Communications Third Editioon, GTE System and Technology

Corporation, 2000.

[8] J.-H. Lee and S.-H. Hwang, "Selection diversity-aided subcarrier intensity

modulation/spatial modulation for free-space optical communication," IET Optoelectronics,

p. 9, 2014.

[9] M. A. Esmail, H. Fathallah, and M. S. Alouini, “Outdoor FSO Communications under

Fog: Attenuation Modeling and Performance Evaluation,” IEEE Photonics J., vol. 8, no. 4,

2016.


䅎䅌䥓䥓⁐erf佒m䅓䤠s啂䍁剒䥅删䥎te乓䥔夠m佄啌䅔䥏丠 pa … · 2020. 5....

Documents